(57)【要約】      （修正有）【課題】簡便な方法で溶接後の残留応力解放のための作業性を向上させると共に騒音問題を解消する。【解決手段】母材表面に溶着金属が溶接された構造において溶接部を含む溶接部近傍に生じた残留応力を低減する方法であって、前記溶着金属の縁部から溶接部縁部近傍における主応力の方向及び適当な距離にある母材表面を含む領域を、任意形状の先端を有する部材を弾性手段によって付勢する装置で打撃して塑性変形させ、少なくとも１つの凹部を形成する溶接部の残留応力低減方法を開示するものである。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
母材表面に溶着金属が溶接された構造において溶接部を含む溶接部近傍に生じた残留応力を低減する方法であって、
前記溶着金属の縁部から溶接部縁部近傍における主応力の方向に６ｍｍ以内の距離にある母材表面を含む領域を、任意形状の先端を有する部材を弾性手段によって付勢する装置で打撃して塑性変形させ、少なくとも１つの凹部を形成する溶接部の残留応力低減方法。
【請求項２】
母材表面に溶着金属が溶接された構造において溶接部を含む溶接部近傍に生じた残留応力を低減する方法であって、
前記溶着金属の縁部近傍で、溶着金属から母材の長手方向に対して４５度の角度を成す位置を含む領域を、任意形状の先端を有する部材を弾性手段によって付勢する装置で打撃して塑性変形させ、少なくとも１つの凹部を形成する溶接部の残留応力低減方法。
【請求項３】
母材表面に溶着金属が溶接された構造において溶接部を含む溶接部近傍に生じた残留応力を低減する方法であって、
前記溶着金属の縁部から溶接部縁部近傍における主応力の方向に６ｍｍ以内の距離にあり、溶着金属から母材の長手方向に対して４５度の角度を成す位置にある母材表面を含む領域を、任意形状の先端を有する部材を弾性手段によって付勢する装置で打撃して塑性変形させ、少なくとも１つの凹部を形成する溶接部の残留応力低減方法。
【請求項４】
前記打撃が前記溶着金属表面に接触させて固定することにより実施される請求項１ないし３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
手動操作により所定回数の打撃を実施する請求項１ないし４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
前記打撃に際して、てこの原理を利用した手段、油圧手段又は電動手段によって打撃力を付加する請求項１ないし５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
前記弾性手段がバネ部材であって、所定の弾発力によって部材を付勢して凹部を形成する請求項１ないし６のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、母材と溶着金属との溶接によって溶接部近傍に生じる残留応力を低減して母材及び溶接継ぎ手部の疲労強度を向上させる方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
線路に敷設された鉄道用レールは、枕木に固定されて隣接するレールとの間に熱膨張を許容するための空隙が設けられている場合があり、この場合、隣り合うレール相互の電気的な接続は、ボンド線を介しておこなう。これは、鉄道用レールが電車を制御するための駆動電流や制御信号を通電する役割を果たすために必要な構造である。この電気的接続を実現するためにボンド線をレールに溶接する方法として、一般にテルミット溶接が使用されている。テルミット溶接は、母材の表面近傍でアルミニウムと酸化銅（または酸化鉄）の混合粉に点火して、その化学反応によって生じた熱によって銅（または鉄）と母材の一部を溶融して溶着を行うものであり、溶接部の接合強度が高く、高度な技能を必要としないために近年盛んに使用されるようになっている。テルミット溶接は、使用する装置が小型で携帯性があるために大掛かりな作業を必要とせず、現場での作業性に優れるので、例えば現場単位で鉄道用レール交換作業が行われる場合に適している。
【０００３】
図１は、テルミット溶接によって端部を固着したボンド線で隣接する鉄道用レールを電気的に接続した状態を示す図である。図２は、図１の鉄道用レールのウェブ表面にテルミット溶接によって溶接端子と共に溶接されたボンド線及び溶着金属の拡大図である。この溶接によって、溶接部及びその周囲近傍には大きな引張り応力が残留している。該残留応力は、電車がレール上を通過したときの振動及び衝撃によって溶接部及びその周囲近傍を疲労させて亀裂等が発生する原因となるものである。この引張り残留応力を軽減するために、溶接部近傍に凹部を形成することが有効であることは、既に本出願人による出願中の特許文献１で明らかにされている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１４１０６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記凹部の形成方法として、現在、電動ハンマーを用いた電動ピーニング法等が採用されており、油圧式工具を用いた圧縮法も考えられる。しかし、どちらの場合も以下のような複数の課題が残されている。
【０００６】
まず、電動ピーニング法を採用した場合、第１にレールボンドの交換作業は夜間に行われる場合が多く、電動ハンマーから発生する動力音及び母材を連続的に打撃する打撃音は近隣にとって大きな騒音である。第２に電動ハンマーの操作性に起因して、操作時の振動によって所定の位置に的確に凹部を形成することが困難であるため、溶着金属及び溶接端子並びにボンド線に誤って打撃を与えて損傷させてしまう可能性がある。第３に電動モータを駆動するために電源が必要となり、エネルギーコスト及び作業コストが嵩む。第４に電動ハンマーは高速で連続的な振動を発生させるため、打撃回数の定量化が困難であり、必要以上の打撃が繰り返されることにより却って母材を疲労させる原因にもなりかねない。図３（ａ）は、電動ハンマーを用いた電動ピーニング法によって図１に示した母材となる鉄道用レールのウェブ表面に凹部を形成した様子を示すものである。
【０００７】
次に、油圧式工具を用いた圧縮法を採用した場合、第１に当該工具が大規模な装置であるため、移動性及び作業性に難があり、作業場所が限定され、第２に油圧モータを駆動するための電源が必要となり、エネルギーコスト及び作業コストが嵩み、第３に工具本体が高価であるという問題がある。図３（ｂ）は、油圧式工具を用いた圧縮法によって母材となる鉄道用レールのウェブ表面に凹部を形成した場合に予測される様態を図示している。
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するために、作業性の高い装置を用いて所定の位置及び回数だけ的確に、且つ、騒音を発生させずに打撃を加え、溶接部近傍の残留応力を解放する方法を提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の好ましい実施形態によれば、本発明による溶接部の残留応力低減方法は、母材表面に溶着金属が溶接された構造において溶接部を含む溶接部近傍に生じた残留応力を低減する方法であって、前記溶着金属の縁部から溶接部縁部近傍における主応力の方向に６ｍｍ以内の距離にある母材表面を含む領域を、任意形状の先端を有する部材を弾性手段によって付勢する装置で打撃して塑性変形させ、少なくとも１つの凹部を形成することを含む。
【００１０】
主応力が加わる方向で該溶着金属の基端から６ｍｍ以内の位置を含む母材表面の範囲に少なくとも１つの凹部を形成したときに溶接部及びその近傍に残留する引張応力が圧縮応力に最適に変換されることが判明した。例えば、テルミット溶接によって溶接される溶着金属が比較的小さな場合、母材表面に圧痕を付与する作業は所定の位置に確実に行われなければならず、安定性及び作業精度の高い手段を用いる必要がある。このため、電源等を要さず、手軽に作業を行なえるよう、バネの弾性エネルギーを利用した打撃手段を使用して溶着金属の周囲に凹部を形成する方法が考えられる。当該打撃手段は、例えばバネの変形によって蓄えられたエネルギーを解放して打撃部材を加速して標的箇所に衝突させるという構造である。これにより、油圧式装置を用いて作業する場合と比べて作業性が格段に向上する。さらに、本発明による方法を利用すれば、単発的に母材表面を押打することが可能になり、電気ハンマーを用いた場合と比較しても明らかに打撃音が小さく、近隣への騒音による影響は少ない。また、電気ハンマーは電動モータによる振動が発生して所定位置に正確に凹部を形成することが困難であったため、図３（ａ）に示したように、金属溶着部のほぼ全周囲に凹部を形成していたが、本発明による方法では的確な位置決めが可能なので、所定位置に少なくとも１つの凹部を形成すれば十分である。
【００１１】
本発明のさらに好ましい実施形態によれば、本発明による残留応力を解放する方法は、母材表面に溶着金属が溶接された構造において溶接部を含む溶接部近傍に生じた残留応力を低減する方法であって、溶着金属から母材の長手方向に対して４５度の角度を成す位置を含む領域を、任意形状の先端を有する部材を弾性手段によって付勢する装置で打撃して塑性変形させ、少なくとも１つの凹部を形成することを含む。
【００１２】
例えば、テルミット溶接によって溶着金属が形成されると、溶接部及び溶着部の周囲近傍には残留応力が発生することが判明している。現実的に、列車の通過による振動及び衝撃によって前記溶着金属に疲労亀裂が発生することがあり、このとき疲労亀裂はレール長手方向に対して４５°の方向に進展している。この知見に基づいて、ボンド線の溶接部には４５°方向に最大主応力が発生していると想定し、このことによって、当該方向の溶接部近傍領域に凹部を形成して母材表面を塑性変形させることにより溶接部及び金属溶着部近傍を圧縮応力に変換して当該箇所の疲労度の低下を防止することが可能となることを見出した。ここで、母材に凹部を形成する塑性変形手段としては、上述したようにバネの弾性エネルギーを利用した打撃手段を採用することにより上記課題を解決することができる。
【００１３】
本発明のさらに好ましい別の実施形態によれば、本発明による残留応力を解放する方法は、前記弾性手段がバネ部材であって、所定の弾発力によって部材を付勢して凹部を形成することを含む。
【００１４】
例えば、前記打撃手段が、筐体内でバネ部材、打撃部材を適宜配置し、打撃部材に押圧力を負荷することによりバネ部材を圧縮させ、バネ部材が最大圧縮点に到達したときにバネの弾性回復力により力の方向を反転させて打撃部材に加速力を付与する構造を有する装置であれば、バネの付勢力は一定であるため、標的位置に対して常に一定の打撃力を付与することができる。この装置の利点は、作業性に富む点であり、単発的な打撃を加えるのに適している。また、バネ部材と打撃部材による単純な構造であるため、装置の規模を小さくして作製可能である。さらに、比較的高硬度材質で小面積の先端を有する打撃部材を選択することにより標的位置で打撃により発生する応力を高めることができる。
【００１５】
本発明のさらに好ましい別の実施形態によれば、本発明による残留応力を解放する方法は、前記打撃が前記溶着金属表面に接触させて固定することにより実施されることを含む。
【００１６】
例えば、使用する打撃装置の寸法は、テルミット溶接によって形成された溶着金属の大きさに応じて適宜選定することができ、溶着金属の表面又は一部に当該装置の一部を沿わせたり、固定支持したりすることによって装置を安定させた状態で作業を行うことができる。
【００１７】
本発明のさらに好ましい別の実施形態によれば、本発明による残留応力を解放する方法は、手動操作により所定回数の打撃を実施する。
【００１８】
例えば、当該凹部を形成するために電動ハンマーを用いた場合、電動駆動モータにより連続的な振動が打撃部材に加えられるため、打撃回数を指定することができず、所望の回数以上の打撃を母材表面に加えてしまい、却って母材表面に負担をかけてしまう可能性がある。本発明による方法では、所望回数の打撃を母材表面に加えることが可能となり、母材への負担軽減を期待することができる。また、打撃操作は単発的に行われるため、打撃以外の音が発生することはなく、騒音問題の解決にも寄与する。
【００１９】
本発明のさらに好ましい別の実施形態によれば、本発明による残留応力を解放する方法は、前記打撃に際して、てこの原理を利用した手段、油圧手段又は電動手段によって前記打撃力を付加することを含む。
【００２０】
例えば、凹部が形成される方向に母材が十分な厚みを有していたり、母材の強度が比較的高かったりする場合、弾性エネルギーの高いバネ部材を使用する必要がある。このとき、当該装置を人手の力だけで操作することが困難な場合がある。よって、当該装置の弾性エネルギーに補足的な力を加えて打撃部材の加速力を増大させる必要があり、その補足的手段としては、てこの原理を利用した手段、油圧手段又は電動手段を選択することができ、当該打撃操作を容易に実施することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図５（ａ）ないし（ｃ）は、本発明の方法において使用する筐体５２を有する打撃装置５０の内部構造を図示している。当該装置５０における筐体５２には、先端が半球状の金属製棒状部５１、該金属製棒状部５１を支持する支持体５３、該支持体５３から筐体５２の内部方向に棒状突起５４を有する円錐状先細テーパが形成された部材５７、該部材５７の周方向に係合したバネ部材５５、前記バネ部材５５及び円錐状先細テーパと係合可能なテーパを有する前記筐体５２内に固定された部材５８、一端が当該装置の底部５６に固定され、他端が前記棒状突起５４の先端部を収容可能な凹部を有する部材５９に固定されたバネ部材６０が具備されている。前記金属製棒状部５１、前記支持体５３、前記部材５７及び前記棒状突起５４は長手軸方向に延びて一体形成されており、図示されていないが筐体内で移動可能に保持されている。図５（ａ）は、前記打撃装置５０に何も負荷が付与されていない初期状態である。前記一体形成部材は、初期位置で軸Ｙと若干ずれて配置されており、前記筐体５２の内部方向に押圧力を受けてその方向に移動すると、前記部材５７に係合したバネ部材５５が前記部材５８のテーパ部に案内されながら前記一体形成部材をＹ軸上に移動させる。さらに前記一体形成部材が押圧されていくと、棒状突起５４が前記部材５９と接触した後バネ部材６０が圧縮され、図５（ｂ）に図示された状態となる。バネ部材６０が最大に収縮し、且つ、前記一体部材が軸Ｙ上に案内されたときに、前記部材５９と棒状突起５４との係止が解放される。次いで、バネ部材６０は解放されて弾性回復力によって前記部材５９が前記部材５８の方向に押し出される。この状態が図５（ｃ）に図示されている。前記一体形成部材は、押し出された前記部材５９の凹部の底面と衝突することにより、加速力が付与される。よって、前記棒状部材５１の半球状の先端が標的位置に向けて打撃力を与える。バネ部材６０が固定された当該装置の底部に螺子式に螺合した予圧調整部材５６を設けて、バネの固定位置をバネの弾性エネルギーを高めるようにバネの移動距離が大きくなる方向に移動させることも可能である。このように、バネの弾性力によって加速される距離を調整して打撃部材の加速度を調整することができる。それにより、打撃力の調整が可能となる。また、当該装置は小型軽量に製作できるため、例えば、打撃時に筐体５２を溶着部に添えながら行うことにより安定した打撃操作を行うことができる。
【００２２】
なお、打撃を付与する標的部材の材質に起因してより高い打撃力を要する場合は、より高い弾性エネルギーを有するバネ部材を用いる必要があり、人手による打撃操作は困難となりやすいため、てこの原理を利用した手段、油圧手段又は電動手段等を適宜補助的に設けてバネ部材６０の弾性エネルギーに対して補助エネルギーを取得することができる。その具体的な構造例を図６及び図７に示す。
【００２３】
図６は、テルミット溶接によって鉄道用レールのウェブ表面上に形成された溶着部１近傍の所定の標的に図５で図示した構造の打撃装置５０を図６の符号７０で示した特殊工具を用いた打撃操作の様態図である。前記特殊工具７０は一方が鉄道用レールの頭部の一部と接触し、他方が前記打撃装置５０の頭部７２の頂面と接触する２つのアーム７６，７８を有し、前記棒状部材５１の先端部を標的位置にあてがった状態で打撃操作の準備が完了する。打撃動作に移るときは、片手で装置５０の筐体５２を把持しながらもう一方の片手で前記特殊工具７０の２つの把持部７４を矢印の方向に押圧する。すると、てこの原理でアーム７８は前記頭部７２をレール方向に負荷を与え、前記棒状部５１が図５で説明したように筐体５２の内部方向に移動し、所定位置でバネの弾性力でウェブ表面の標的位置に打撃力が付与される。よって、所定位置に凹部が形成され溶接部及びその周囲近傍の残留応力が解放される。  
【００２４】
また、別の実施例として図７に電動で前記打撃装置５０の頭部７２に押圧力を付与することができる装置８０を図示する。当該装置８０は、商用電源又はバッテリで駆動し、引金状のスイッチ８６を引いてスイッチをＯＮにすることができる。当該装置は、レールの頭部を把持可能なコ字状部８４と、該コ字状部の一表面から突出した、電源ＯＮ時に打撃装置５０の頭部７２を押圧する方向に突出する突設部８２とを有する。図６で説明したように、コ字状部８４に鉄道レールの頭部を把持させながら前記打撃装置５０の頭部７２を前記突設部８２と接触させて棒状部５１の先端部をレール上のウェブにあてがった状態で打撃操作の準備が完了する。打撃操作に移るときは、片手で前記打撃装置５０の筐体５２を把持しながらもう一方の片手で装置８０の把持部８８を握って操作開始時に引金状のスイッチ８６を引いて電源をＯＮにする。モータ等によって前記突設部８２が突出して打撃装置の頭部をレールのウェブ方向に押圧する。次いで、前記棒状部５１が図５で説明したように筐体５２の内部方向に移動し、所定位置でバネの弾性力でウェブ表面の標的位置に打撃力が付与される。よって、所定位置に凹部が形成され溶接部及びその周囲近傍の残留応力が解放される。
【００２５】
図４（ａ）及び（ｂ）は、鉄道用レールのウェブ表面において、本発明の方法による上記打撃装置５０を用いて溶接部の溶着金属近傍に凹部を形成した図を示している。テルミット溶接によって形成された中実円柱状の溶着金属１は、ボンド線３の先端部を圧着した溶接端子２の一部と共に固着されている。該溶着金属１の外周の一部には、４つの凹部が、ａ＝６ｍｍ以内の距離に母材の長手軸Ｘに対して角度θ方向近傍で溶着金属を挟んで対称な位置に形成されている。これは、溶接における最大引張応力は熱影響部（図４（ｃ）の符号５）と母材との境界部に発生するが、該熱影響部は溶着金属により覆われているため、できるだけ溶着金属の縁部近傍の引張残留応力域に凹部を形成して圧縮残留応力に変換する必要があるという知見、及び、現実的に列車の通過による振動及び衝撃によってテルミット溶接の溶着部に疲労亀裂が進展し、その方向に主応力が発生しているという知見に基づいて、溶着部の基端からａ＝６ｍｍ且つθ＝４５°の位置に所要数の凹部を形成することにより溶接部及びその周囲近傍の残留応力が圧縮応力に変換されて溶接部及び溶接部近傍の疲労強度低下が防止される。
【００２６】
図４（ｃ）は、図４（ａ）、（ｂ）に示した状態の側面図である。ｂは熱影響領域の最外部から溶着部の最外部までの距離であり、ａは溶着部最外部から残留応力影響領域最外部までの距離である。
【００２７】
溶着金属１がある程度大きければ、図５で図示した打撃装置５０を用いて凹部を形成する際に、前記打撃装置の筐体５２を溶着金属１の表面の一部に沿わせるように固定しながら打撃操作を行うことができる。これは、当該装置が打撃部材を弾発したときの衝撃を吸収する役割を果たし、安定した状態で容易に母材表面の所定位置に打撃を付与することができる。
【００２８】
上記の溶接における溶着部の寸法、打撃装置、母材は適宜選択可能であることは当業者には自明である。
【００２９】
以上のように、弾性部材と打撃部材とを有する装置を使用することによる効果として、所望の回数を母材表面に打撃可能で必要以上に母材に負担をかけることはないこと、単発的な打撃付与により作業時に発生する騒音量が軽減されること、装置が軽量で作業性を向上させること等が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】隣接する鉄道用レール間の隙間を、ボンド線を介して電気的に接続した斜視図。
【図２】図１の鉄道用レールウェブ表面における溶接部近傍の拡大図。
【図３】（ａ）は、電動ハンマーを用いて凹部を形成した様態の上面図。（ｂ）は油圧式装置を用いて凹部を形成した場合に予測される様態の上面図。
【図４】（ａ）は、本発明による方法で主応力方向に凹部を形成した様態の上面図。（ｂ）は、本発明による方法でもう一方の主応力方向に凹部を形成した様態の上面図。図４（ｃ）は、図４（ａ）、（ｂ）に示した状態の側面図である。
【図５】本発明で用いられる打撃装置の構造を示した内部透視図。
【図６】補助的な特殊工具を用いて打撃操作を行う様態図。
【図７】別の補助的な特殊工具を用いて打撃操作を行う様態図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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